كل ما تريد معرفته عن سيراميك أوكسيد الألمنيوم

• مـقـــــدمـــــــة:

يُعرَّف السيراميك بأنه مادة مكوّنة من مُركبات صلبة لا عضوية ولا معدنية تتشكل انطلاقًا من مساحيق وتتقسى بالحرارة أو بالضغط أحيانًا وتتحمل الحرارة أثناء الاستخدام وتتألف على الأقل من اتحاد عنصرين أحدهما لا معدن أو شبه معدن والآخر معدن أو شبه معدن.

يتمتع أوكسيد الألمنيوم (الألومينا) بخصائص فريدة جعلته من أهم المواد الهندسية في أواخر القرن العشرين ومنها: الاستقرار الكيميائي، وحرارة انصهار مرتفعة جدًا، وقساوة عالية، الأمر الذي أتاح استخدامه في مجالات عديدة وخاصة في صناعة السيراميك ومواد الصقل وفي صناعة البصريات (نظرًا لشفافية أغشيته) وأيضا كوسيط في بعض التفاعلات الكيميائية. وكما نعلم أن المواد الهندسية النانوية تبدي خواصًا فائقة وهامة، لذلك اتجهت الأبحاث العلمية مؤخرًا نحو تحضير الألومينا النانوية. ومن الطرائق المتبعة لاصطناع الألومينا النانوية:

• طرائق كيميائية:

1. الترسيب.
2. الاحتراق.
3. السول-جل sol-gel.
4. الاستحلاب.

• طرائق فيزيائية:

1. البلازما الحرارية.
2. أشعة الليزر.
3. الطحن الأوتوماتيكي المسرع.

• من أشهر الطرائق الصناعية المتبعة في تحضير سيراميك أوكسيد الألمنيوم هي

 طريقة باير التي تنطلق من المادة الأولية البوكسيت.

• يتضمن البوكسيت المكونات التالية:
• Gibbsite Al(OH)₃
• Bohemite AlO(OH)
• Diaspore AlO(OH)
• يتحول البوكسيت إلى الألومينا بطريقة باير التي تتضمن الخطوات التالية:

1. تكليس البوكسيت للتخلص من المركبات القابلة للتطاير.
2. طحنه لنعومة مناسبة لتسهيل التفاعلات الكيميائية اللاحقة.

• انحلال البوكسيت في هيدروكسيد الصوديوم وذلك لحل عنصر الألمنيوم.

1. تصفية وترشيح المحلول للتخلص من الشوائب الصلبة غير المنحلة.
2. تبريده لترسيب Al(OH)₃
3. تصفيتة وغسيل Al(OH)₃

• تكليس Al(OH)₃ حتى حدود (1100-1300) مئوية, بحيث يتحول Al(OH)₃ إلى الألومينا وذلك كما في المعادلة الموضحة :

يمكن تلخيص طريقة باير كما في الصورة التوضيحية التالية:

 

الخصائص الفيزيائية والميكانيكية لسيراميك أوكسيد الألمنيوم:

• أطوار أوكسيد الألمنيوم.
• الطور alpha-alumina: يتشكل هذا الطور بعد المعالجة الحرارية للبوهيميت عند 1000⁰C. وهو طور مستقر ترموديناميكيًا ،يتمتع بخواص عديدة منها : الثباتية الحرارية (درجة انصهارalumina-α حوالي 2051 °C) والقساوة العالية والاستقرار الكيميائي. الأمر الذي يسمح باستخدامه في صناعة السيراميك والطلاءات الواقية والدروع السيراميكية. يتمتع –aluminaα ببنية بلورية سداسية حيث تظهر فيها شوارد الألمنيوم والأوكسجين بشكل مرتب وتسلسلي A-B-A-B وفق أبعاد (a0=4.7589×10-8 cm and c0=12.991×10-8 cm). وتكون أبعاد البلورات 33 nm.
• الطور g– alumina: وهو طور غير مستقر يتحول إلى الطور q بإجراء معالجة حرارية في المجال 600–700 °C. ويستخدم كوسيط في التفاعلات الكيميائية ولكن لا يستخدم عند درجات حرارة عالية لأنه يتحول عند الدرجة 950 C إلى الطور α. ويملك الطور غاما نوعين من الشبكات البلورية إما ثُمانية أو رباعية. وتكون أبعاد البلورات من مرتبة  5-10 nm.

نلاحظ اختلاف البنى البلورية بالانتقال من طور إلى آخر كما تظهر الصورة التالية:

• إن الجدول أدناه يبين مدى الاختلاف الكبير في الخواص الميكانيكية للأطوار الثلاثة.

تطبيقات سيراميك أوكسيد الألمنيوم

• تتنوع وتتعدد تطبيقات سيراميك أوكسيد الألمنيوم التي تعكس خواصه الميكانيكية العالية كالقساوة وخواصه الكهربائية وخموله الكيميائي، نذكر منها ما يلي:
  • مادة مالئة ومادة تقوية:

  يعود ذلك لامتلاك الألومينا خواصًا ميكانيكية عالية ولأنه ذو لون أبيض ناصع, لذلك فهو يُضاف للبلاستيك وفي بعض الأحيان يُضاف لمواد التجميل مثل أحمر الشفاه وطلاء الأظافر.

  • عامل حفاز ووسيط في التفاعلات:

  يدخل الألومينا كعامل حفاز في الكثير من التفاعلات الكيميائية نذكر منها تفاعلات نزع الماء من الكحولات لتعطي ألكينات، وكذلك تلعب دور وسيط كما في بعض تفاعلات بلمرة زيغلر_ناتا.

  • ألياف مواد مركبة:

  استُخدِمت الألومينا في بعض المواد الليفية التجارية والمخبرية في التطبيقات عالية الأداء مثل ( Fiber FP, Nextel 610, Nextel 720)، كما تُعد ألياف الألومينا النانوية محطَّ اهتمام ودراسة من قبل العلماء.

  • السيراميكيات الحرارية:

  يُستخدم سيراميك أوكسيد الألمنيوم بشكل رئيسي في الأماكن التي تتعرض لدرجات حرارة عالية كالأفران, وذلك بسبب ارتفاع درجة حرارة انصهاره، ولأنه خامل كيميائياً.

  • التصفيح والتدريع:

  يُستخدم الألومينا كدرع للعربات والمركبات الثقيلة والخفيفة بسبب قساوته العالية وخفة وزنه ويصنع حينها على شكل بلاطات كاملة، كما يُستخدم في السترات الواقية من الرصاص كأول طبقة تقف في وجه المقذوف الناري لأن قساوة الألومينا العالية تشوه رأس المقذوف أي تزيد مساحة سطح رأس هذا المقذوف ومنه يصبح توزيع وانتشار الطاقة التي يحملها هذا المقذوف على باقي أجزاء السترة الواقية أكثر فعالية, مما يساهم في إيقاف الرصاصة.

• يُستخدم الألومينا في صنع أدوات القص والجلخ والطحن والتنعيم بسبب رُخص تكلفته مقارنة بالألماس الصناعي من جهة، ولأنه يتمتع بقساوة عالية جداً تَلِي قساوة الألماس من جهة ثانية، فضلاً عن مقاومته العالية للتآكل، نذكر من الأمثلة العملية في هذا المجال كرات الطحن السيراميكية التي تُستخدم في مطحنة الكرات.

• يُستخدم الألومينا في التطبيقات الطبية في صناعة الأسنان أو عظم الفخذ السيراميكي.
• تُستخدم شرائح أوكسيد الألمنيوم في الطلاء للتأثيرات الزخرفية العاكسة, كما هو الحال في صناعة السيارات أو مستحضرات التجميل.
• يُستخدم الألومينا في التطبيقات الالكترونية كركيزة وحامل للدارات الالكترونية, كما يدخل في صناعة الكاوي الحراري المستخدم في الدارات الالكترونية للحم بعض الأجزاء فيها
• أكثر من 90% من الألومينا _المسماة عادًة Smelter Grade Alumina _ تستخدم لإنتاج الألمنيوم، وذلك بطريقة صناعية شهيرة تعرف باسم Hall–Héroult process
• ويظهر الشكل التالي شرح مبسط لهذه الطريقة:
• توجد تطبيقات أخرى لسيراميك أوكسيد الألمنيوم لَسنا بِصَدد ذكرها كلها.